益生菌改善老年人群糖脂代谢紊乱和代谢综合征相关的肠道菌群失调

梁长林 杨磊

(吉林省肿瘤医院，吉林 长春 130013)

目前，肥胖和代谢紊乱已是世界范围内高度流行的疾病，并对公共健康、经济和社会福祉等多方面产生负面影响。由于肠道菌群直接参与宿主的能量代谢，因此，肠道菌群组成和结构的改变与功能性胃肠疾病、肥胖、糖尿病(DM)等息息相关。糖脂代谢紊乱的老年患者的菌群结构与健康人群存在显著差异。为了改善宿主肠道菌群状态，进而更好地发挥其在维持能量、代谢、免疫等方面起到的重要作用，益生菌疗法似乎是一种安全性高、成本低、广为接受的治疗Ⅱ型DM合并代谢综合征的最新手段，在重塑肠道菌群微环境方面具有良好的应用前景。本文详细论述了Ⅱ型DM(T2DM)与肠道菌群的关系及糖脂代谢异常受试者中肠道菌群特征，并系统地阐述了益生菌在调控血糖方面的研究现状。

1 代谢综合征概述

代谢综合征往往是中心性肥胖、胰岛素抵抗、血脂异常和高血压等多个危险因素汇聚之后共同导致的不良结果〔1〕。长期以高脂肪(反式脂肪酸)和精制碳水化合物为主的饮食习惯也是代谢综合征发生的公认因素。普遍认为T2DM与代谢综合征具有共同的病理基础(中心性肥胖造成的胰岛素抵抗)，因此T2DM患者合并代谢综合征的患病率较高〔2〕。此外，代谢综合征患者还会增加高血压、心脑血管疾病发生的风险。

2 DM、肥胖、老龄化与肠道菌群的关系

2.1DM与肠道菌群 DM是一种常见的慢性代谢性疾病，其主要分型包括Ⅰ型DM(T1DM)、T2DM、妊娠糖尿病。我国DM的特点主要是以T2DM为主，最典型的病理学特征为胰岛素调控葡萄糖代谢能力的下降(胰岛素抵抗)，伴随胰岛β细胞功能缺陷所导致的胰岛素分泌(相对)减少。目前引发T2DM主要的危险因素包括遗传因素、高热量摄入和缺乏运动。此外，根据最新的证据显示，T2DM的发展与肠道菌群有重要的关联，主要表现在能量代谢、肠道屏障完整性、代谢相关信号转导等方面〔3〕。

2.2肥胖与肠道菌群 肥胖是T2DM发展的最重要诱因之一，有研究表明瘦人和肥胖人群的肠道菌群组成存在差异，肥胖与菌群组成之间的相关性是诱导T2DM发生的主要原因〔4〕。肥胖人群肠道中厚壁菌门的相对丰度较高，拟杆菌门的相对丰度较低，而厚壁菌与拟杆菌的比率还可能会随着肥胖加剧而上升，最终肠道菌群的多样性下降〔5,6〕。肠道菌群对肥胖的影响还涉及脂肪褐化。补充特定的肠道微生物可增加高脂喂养小鼠的褐色脂肪组织标志物解耦联蛋白(UCP-1)、PR结构域蛋白(PRDM16)、过氧化物酶体增殖物受体γ共激活因子(PGC)-1α和沉默信息调节因子(SIRT)1的信使核糖核酸(mRNA)水平，以三酰甘油形式储藏能量的白色脂肪发生褐化，有利于改善肥胖〔7〕。

2.3老龄化与肠道菌群 随着人口老龄化进程的不断加快，老年T2DM的患病率逐年上升，这就使得老年群体的肠道菌群朝着多样性减少、个体间差异显著的方向发生改变〔8〕。相比于60～78岁并患有T2DM平均病程(6.2±1.8)年的老人，拟杆菌和肠杆菌在健康老年人的肠道菌群中丰度更低(P<0.05)；而乳杆菌、双歧杆菌、普雷沃菌丰度更高(P<0.05)；胰岛素抵抗指数(HOMA-IR)、白细胞介素(IL)-6、IL-22、肿瘤坏死因子(TNF)-α和γ干扰素(IFN-γ)炎症因子表达水平降低〔9〕。因此，当肠道菌群发生紊乱，会引起机体慢性炎症的长期存在。

3 肠道菌群与T2DM的关系

健康的肠道微环境对宿主有益，肠道菌群在T2DM中发挥的主要功能表现在改善代谢、抑制病原菌及修复肠道屏障等方面。肠道菌群通过维持肠道屏障的完整性，保护肠上皮细胞免受外源性病原体的侵扰，最终促进宿主的健康。炎症反应、抗生素的使用、压力、年龄等诸多因素可能是导致肠道菌群平衡破坏的主要原因。此外，菌群失调又与心血管疾病、自身免疫病、T2DM一系列疾病相关〔10,11〕。

T2DM导致的肠道菌群紊乱可直接导致低度炎症的发生。肠道菌群的组成在DM前期(胰岛素抵抗)疾病的发展中起着重要作用。因此，研究T2DM患者的肠道菌群特征，并评估某些微生物丰度与临床指标之间的相关性是阐明肠道菌群在老年T2DM发生和发展中的重要方式〔12〕。

诸多研究证实，T2DM患者肠道菌群的主要特征是丁酸产生菌减少。Sabatino等〔13〕测序结果显示在T2DM患者中丁酸生成菌丰度呈现中度失调，参与氧化应激微生物的基因表达量增加，导致机体呈现促炎状态，血清中脂多糖(LPS)浓度上升，最终增加了肠道的通透性。肠道菌群失调所导致的肠道通透性增加，势必会对肠道屏障功能造成损伤，使肠黏膜的免疫反应发生改变，进而导致T2DM的发展或恶化〔14〕。Qin等〔15〕发现健康受试者中富含多种产丁酸菌，T2DM患者的肠道菌群特征是丁酸生成菌减少，且伴随多种条件致病菌的定植。当糖代谢异常时，革兰阴性菌等致病菌的比例上调，其细胞壁LPS的分泌增加，从而改变肠黏膜的通透性，引发慢性炎症〔16〕。有研究显示，在T2DM患者粪便中分离出的嗜菌群丰度显著增加，并推测该菌可以通过降解黏蛋白，产生硫化氢气体，进而破坏肠道屏障〔17〕。革兰阴性菌穿过肠道屏障抵达上皮细胞后，通过激活表面的Toll样受体，从而激活核转录因子NF-κB通路，促进TNF-α,IL-6,IL-1等炎症因子的表达。

此外，肠道菌群可以在无氧条件下通过分解机体难以消化的复杂碳水化合物等成分产生短链脂肪酸(SCFA)，为机体供能的同时还参与调节糖代谢。肠道菌群主要产生乙酸、丙酸和丁酸，乙酸和丙酸主要由拟杆菌门产生，丁酸主要由厚壁菌门产生。当肠道菌群失调时，SCFA的产生也受到影响〔18〕。有研究发现丁酸具有刺激肽1样胰高血糖素(GLP-1)的分泌、减少脂肪细胞炎症、提高胰岛素敏感性的功能，这对于缓解T2DM尤为重要〔19〕。

4 肠道菌群特征

4.1糖代谢紊乱为主的代谢综合征患者肠道菌群的特征 代谢综合征是指人体中三大产能营养素(碳水化合物、脂肪、蛋白质)发生代谢紊乱的病理状态，也是一种复杂的代谢紊乱症候群。而随着年龄的不断增长及各种疾病的发展，导致肠道菌群的组成时刻发生着改变。临床上通过口服糖耐量试验(OGTT)对糖代谢情况进行判断，依据不同糖代谢受损程度分为糖耐量正常、空腹血糖受损、糖耐量异常、DM。以糖代谢紊乱为主的肠道菌群主要具有以下特征(部分致病菌丰度升高、益生菌丰度降低)。

在一项关于老年人糖代谢紊乱的研究中检测到丹麦丝菌和毛螺菌作为特征微生物出现在糖代谢受损的受试者中，相比于正常的糖耐量受试者，其相对丰度更高(P<0.05)，并且通过相关性热图分析，其丰度的升高与糖代谢紊乱的临床指标如：糖化血红蛋白(HbA1c)、胰岛素、血糖水平呈显著正相关，与脂肪因子(脂联素和瘦素)分泌呈现负相关〔20〕。此外，丹毒丝菌是一种人畜共患病的病原菌，感染该菌后在组织病理水平上可观察到多组织器官的毛细血管肿胀，中性粒细胞及单核巨噬细胞浸润，促使肠道炎症的发生〔21〕。与健康老年人相比，老年T2DM患者的肠道菌群发生严重失调，双歧杆菌、乳杆菌丰度显著下降。造成这一现象主要的原因可能是糖代谢紊乱引起的肠道内环境(包括pH值、氧浓度、糖类构成比例)发生改变，进而对益生菌的活性造成影响〔22〕。益生菌的减少可能会对条件致病菌的抵抗能力减弱，从而导糖代谢紊乱患者肠道致病菌增多，加重肠道菌群失调。

4.2脂代谢紊乱为主的代谢综合征患者肠道菌群的特征 脂代谢紊是指由先天或获得性因素导致的血液和组织器官中脂质含量异常的现象，血液中脂质含量过高或过低都会对健康产生影响。血脂代谢紊乱往往伴随着血清中胆固醇、三酰甘油、低密度脂蛋白的异常升高和高密度胆固醇的异常降低。而肠道菌群能够间接影响脂类代谢的过程。肠道菌群对人体无法利用的膳食纤维进行发酵，产生一系列短链脂肪酸(SCFAs，包括乙酸、丙酸、丁酸)。这些SCFA在能量和脂质代谢中发挥了重要作用。有研究表明了SCFAs的配体作用，通过激活G蛋白耦联受体(GPCRs)进而影响宿主代谢。当游离脂肪酸受体2(GPR43/FFAR2)被SCFAs激活后，胰岛素的敏感性得到了提高，同时抑制多种炎症信号的通路〔23〕。而丁酸生成菌丰度降低是T2DM合并脂代谢紊乱患者肠道菌群具有的主要特征〔13〕。

4.3非代谢综合征人群肠道菌群的特征 健康受试者的肠道内寄居着种类繁多、数量惊人的微生物。主要包括放线菌门、拟杆菌门、厚壁菌门、梭杆菌门、变形菌门等〔24〕。健康的肠道菌群按照一定比例组合，各菌种间相互制约，相互依存，达成微生态平衡。而多尔菌,布劳特菌,颤螺菌,黄色瘤胃球菌则作为一组核心微生物成员，在糖代谢正常和糖代谢异常人群中共同存在〔24〕。而糖耐量正常的受试者中除了包含上述菌属外，还检测到厚壁菌门中的粪球菌属、厌氧菌属、瘤胃球菌属及拟杆菌门中的拟杆菌属、里肯内拉科菌属〔20〕。通过宏基因组学对T2DM组和对照组中的肠道菌群进行Alpha多样性分析，结果显示健康受试者(对照组)的菌群多样性丰富〔25〕。

5 益生菌和益生元在T2DM中的应用

益生菌是一类对宿主有益的活性微生物的总称，广泛存在于我们日常食用的发酵食品中。乳酸菌作为一种常见的益生菌，在许多方面为机体提供保护，如调节血浆胆固醇水平、治疗多种消化道疾病、改善肠道微生物环境、增强免疫力等。优秀的益生菌往往可以最大量地直达肠道，同时自身的代谢产物对一些肠道致病菌具有较强的杀菌能力，发挥着改善肠道菌群的重要作用〔26〕。最近的研究提出了多种关于T2DM的治疗机制，以证明益生菌是作为治疗代谢疾病的良好选择。益生菌往往通过改善肠道完整性、降低全身LPS水平和提高外周胰岛素敏感性，改善T2DM的症状〔27〕。

肠道是消化吸收的重要场所，肠黏膜上皮细胞在抑制黏连、防止病原菌入侵等方面具有重要作用。肠屏障功能的完整性依赖于上皮细胞间的多种黏附结构，其中由闭锁蛋白和连接蛋白家族蛋白组成的紧密连接是最主要的黏附模式。研究显示，糖代谢紊乱患者的肠道通透性增强，而益生菌可以通过增加糖酵解所产生的SCFAs促进GLP-1分泌，GLP-1是一种由肠道内分泌L细胞产生的促胰岛素，既促进胰岛素分泌细胞的增殖，同时抑制胰高血糖素的水平，对改善T2DM“三多一少”的特征有重要的调节作用〔28〕。也有研究发现，双歧杆菌通过产生乙酸，作用肠道上皮细胞，抑制大肠埃希菌O157:H7的感染和易位〔29〕。不同的益生菌菌株对T2DM的临床模型和动物模型均显示出了良好的治疗效果，如降低血脂和促炎因子TNF-α、IL-6、IL-β的水平。Kobyliak等〔30〕对T2DM患者进行益生菌治疗，观察到HbA1c显著下降了0.39%，组织中细胞因子TNF-α和IL-β的表达显著下调。Brando等〔31〕首次表明布拉氏酵母菌与血糖控制、心血管保护和改善动物模型中的炎症状况密切相关。这些结果意味着益生菌不仅参与炎症通路的调节，而且对肠道屏障的建立也有帮助。

采用富含益生元的功能性食品可能比活的益生菌更容易被机体吸收。益生元是不易消化的食物成分，可选择性地刺激结肠中一种或少数细菌的生长和活性。当T2DM患者的肠道环境发生改变时，双歧杆菌、乳酸杆菌等正常菌群会受到抑制，肠杆菌丰度增加，导致菌群内环境失调，而这种失调所导致的血脂代谢异常反过来会进一步加重肠道菌群的紊乱，以此形成恶性循环。已有研究表明新型植物纤维(如聚葡萄糖和可溶性玉米纤维)可作为益生菌来调节肠道菌群，这两种纤维均可使有益菌如粪杆菌数量增加，而单独食用可溶性玉米纤维的受试者中乳杆菌数量也显著增加〔32〕。

综上，肠道菌群失调与糖脂代谢紊乱的发生相辅相成。益生菌能够定植在人体肠道中，当摄入适量具有活性的益生菌时，能够下调促炎因子的表达，防止肠道致病菌引起的感染与易位，从而改善肠道通透性、降低自身免疫应答反应、增加胰岛素敏感性；益生元能够选择性的刺激某种益生菌的生长，进而改善肠道微生态系统。食用益生菌或益生元似乎是一种治疗T2DM效果良好的策略，且具有广泛的发展前景。